一种MIMO全双工中继系统信源中继联合预编码方法技术方案

技术编号:13603443 阅读:133 留言:0更新日期:2016-08-27 22:28
本发明专利技术公开了一种MIMO全双工中继系统信源中继联合预编码方法,包括以下步骤:首先利用导频信道估计方法得到信源‑中继、中继‑终端、以及中继发射端‑中继接收端的信道矩阵,设定系统功率上限及背景噪声值;然后设定中继放大矩阵其中xt,xr分别为发射波束成形和接收波束成形;其次将非凸的多变量系统速率最大化问题转化为仅关于xr的无约束问题,利用梯度上升法求解得到xr,再根据xr计算得到信源和中继的预编码矩阵;最后系统使用计算得到的源端预编码矩阵和中继放大矩阵产生源端和中继处的发送信号,以完成MIMO全双工中继系统的信息传输。本发明专利技术通过利用中继放大矩阵和梯度上升法设计MIMO全双工中继系统的预编码方案,从而极大地提升MIMO全双工中继系统的传输速率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数字移动通信系统与
,具体为一种MIMO(Multiple-InputMultiple-output)全双工中继系统信源中继联合预编码方法设计。
技术介绍
通信技术的迅猛发展使人们对数据传输速率和通信质量的要求越来越高。在新型的MIMO无线中继通信系统中,一方面,中继技术可以提高系统容量和增加小区覆盖范围因而成为下一代移动通信的关键技术之一;而另一方面,传统中继都是工作在半双工模式下,这意味着一个时隙被分成两个甚至更多时隙用于中继的收发而导致系统的频谱效率将会降低至少50%。而当下,中继的同频全双工模式具有显著的理论研究及应用价值,该模式也即在同时工作的收发信道上使用相同的频率资源。然而,“Kim D,Lee H,Hong D.A Survey of In-band Full-duplex Transmission:From thePerspective of PHY and MAC Layers[J].IEEE Communications Surveys&Tutorials,2015,17(4):1-1.”提出由于在从中继输出到接收端输入过程中信号泄露,全双工操作的主要限制是回环干扰(也称为回环自干扰)。具体而言,全双工操作的主要缺点是全双工终端生成的回环干扰和来自远处的特定的接收信号之间存在明显的功率差。大回环路线跨越大部分在接收端的模数转换器的动态范围,因此抑制该部分的干扰对于全双工中继的操作执行非常关键。在现有的研究中,大部分工作均没有考虑到信息传送在中继的时延误差,因此,在考虑中继时延、多天线全双工中继系统特有的中继回环干扰约束的条件下,本专利技术首先利用在中继的预编码放大矩阵消除回环干扰,再利用中继放大矩阵和梯度上升法开展MIMO无线中继系统的高效传输机制研究,实现在信源功率、中继功率等多约束下的传输速率最大化问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足,提供一种MIMO全双工中继系统信源中继联合预编码方法,包括以下步骤:(1)初始化:系统确定源节点的天线数NS、中继节点接收端的天线数NR、中继节点发射端的天线数NT、信宿节点的天线数ND、信源的功率上限PS、中继的功率上限PR;设定中继处噪声功率信宿处噪声功率(2)利用导频方法进行信道估计得到信源-中继、中继发射端-中继接收端、中继-信宿的信道矩阵,分别记为HSR、HRR、HRD;设定中继放大矩阵其中xt、xr分别为一维发射波束成形向量和一维接收波束成形向量,将MIMO全双工中继系统的速率最大化问题等价为仅关于xr的无约束优化问题:maxxrPS||xrHHSR||2λmax(xr)σR2||xr||2λmax(xr)+σD2PR(PS||xrHHSR||2+σR2||xr||2)]]>其中λmax(xr)为矩阵的最大特征值,(3)利用梯度上升法得到步骤2所述无约束问题的最优解xr,并按如下公式计算信源预编码矩阵V、中继发送波束成形xt,中继接收波束成形xr:V=PSHSRHxr||HSRHxr||xt∈argmax||u||=1uHΠHRDHHRDΠuxr=PRPS||xrHHSR||2+||σR2xr||2xr;]]>(4)在信源端根据V对传输符号进行预编码,同时根据xt,xr计算得到中继放大矩阵利用Q对中继接收端的接收信号进行放大处理,完成MIMO全双工中继系统的预编码设计,最终实现信源与信宿之间以全双工的方式进行信息传输。进一步地,所述步骤3中梯度上升方法,具体包括以下步骤:(3.1)初始化迭代次数t=0、迭代次数上限tmax,初始化xr为矩阵最大特征值所对应的特征向量;(3.2)更新迭代次数:t=t+1;令u1为最大特征值λmax所对应特征向量,由下式计算得到矩阵最大特征值的梯度即:▿λmax(xr)=▿(-||u1HHRDHRRHxr||2||HRRHxr||2)=-HRRHRDHu1u1HHRDHRRHxr||HRRHxr||2+||u1HHRDHRRHxr||2HRRHRRHxr||HRRHxr||4;]]>继而根据计算得到步骤2所述无约束问题目标函数关于xr的梯度grad_f;(3.3)判断是否满足grad_f≤ε或t≥tmax,其中ε表示判定阈值,其值在0.001~0.000001之间,若满足,则输出最终解xr,否则根据线搜索方法确定步长β,更新xr=xr+β×grad_f,并重复步骤3.2~3.3。本专利技术有益效果:本专利技术方法首先设定中继放大矩阵利用该性质将原非凸复杂模型简化为单变量无约束问题,从而大大简化设计复杂度,再基于利用梯度上升法最终设计出一种MIMO全双工信源中继联合预编码方法,该方法可以在达到系统功率要求的同时提升MIMO全双工中继系统的传输速率。附图说明图1是本专利技术实施例采用该方法的系统模型图。图2是本专利技术实施例采用该方法的具体流程图。图3是本专利技术实施例的系统平均传输速率与信噪比的关系图。图4是本专利技术实施例的系统平均传输速率与各节点天线数量的关系图。具体实施方式为了使本专利技术的目的和效果更加清楚,下面对MIMO全双工中继系统及本专利技术方法进行详细描述。如图1所示,本专利技术考虑一个三节点的MIMO全双工中继网络,其中信源S将在一个全双工中继R的帮助下传输信息到终端D。在这个传输网络中,信源和信宿分别配置NS和ND根天线,同时中继的接收端和发送端分别有NR和NT根天线。假设所有的信道都遵循独立瑞利衰落,令HSR表示信源和中继之间的信道,令HRD表示中继和信宿终端之间的信道。值得注意的是本模型考虑回环自干扰(SI)的影响,因此令HRR表示从中继发送端到中继自身接收端的自干扰信道。同时,在中继实施全双工操作需要一定的执行时间,这就造成中继存在一定的时延,在这里假设这个时延为周期τ。但是,时延τ远远小于数据传输时隙,因此,在中继的时延对可
实现的速率的影响是忽略不计的。本专利技术将在信源和中继采取线性处理来增强系统传输性能,在信源端利用预编码矩阵处理后发送信息到中继接收端,然后中继接收端接收信息再经过放大矩阵的处理。因此,可以得到在时刻n,中继接收端的信息为:γ[n]=HRRVs[n]+HRRxR[n]+nR[n] (1)其中,s[n]~CN(0,Id)是由d个传输符号组成的向量,表示加性高斯白噪声(AWGN),HRRxR[n]表示中继输出端到中继输入端的回环自干扰。在中继发送端的发送信号xR[n]可以表示为:xR[n]=Qγ[n-τ] (2)结合式(1)和式(2),中继输出信号可以表示为:xR[n]=QHRRVs[n-τ]+QHRRxR[n-τ]+QnR[n-τ]=QHRRVs[n-τ]+QHRRQγ[n-2τ]+QnR[n-τ]---(3)]]>在式(3)中的QHRRQγ[n-2τ]是关于Q的复杂函数,同时令系统设计变得非常复杂。为了本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种MIMO全双工中继系统信源中继联合预编码方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)初始化:系统确定源节点的天线数NS、中继节点接收端的天线数NR、中继节点发射端的天线数NT、信宿节点的天线数ND、信源的功率上限PS、中继的功率上限PR;设定中继处噪声功率信宿处噪声功率(2)利用导频方法进行信道估计得到信源‑中继、中继发射端‑中继接收端、中继‑信宿的信道矩阵,分别记为HSR、HRR、HRD;设定中继放大矩阵其中xt、xr分别为一维发射波束成形向量和一维接收波束成形向量,将MIMO全双工中继系统的速率最大化问题等价为仅关于xr的无约束优化问题:maxxrPS||xrHHSR||2λmax(xr)σR2||xr||2λmax(xr)+σD2PR(PS||xrHHSR||2+σR2||xr||2)]]>其中λmax(xr)为矩阵的最大特征值,(3)利用梯度上升法得到步骤2所述无约束问题的最优解xr,并按如下公式计算信源预编码矩阵V、中继发送波束成形xt,中继接收波束成形xr:V=PSHSRHxr||HSRHxr||]]>xt∈argmax||u||=1uHΠHRDHHRDΠu;]]>xr=PRPS||xrHHSR||2+||σR2xr||2xr]]>(4)在信源端根据V对传输符号进行预编码,同时根据xt,xr计算得到中继放大矩阵利用Q对中继接收端的接收信号进行放大处理,完成MIMO全双工中继系统的预编码设计,最终实现信源与信宿之间以全双工的方式进行信息传输。...

【技术特征摘要】
1.一种MIMO全双工中继系统信源中继联合预编码方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)初始化:系统确定源节点的天线数NS、中继节点接收端的天线数NR、中继节点发射端的天线数NT、信宿节点的天线数ND、信源的功率上限PS、中继的功率上限PR;设定中继处噪声功率信宿处噪声功率(2)利用导频方法进行信道估计得到信源-中继、中继发射端-中继接收端、中继-信宿的信道矩阵,分别记为HSR、HRR、HRD;设定中继放大矩阵其中xt、xr分别为一维发射波束成形向量和一维接收波束成形向量,将MIMO全双工中继系统的速率最大化问题等价为仅关于xr的无约束优化问题:maxxrPS||xrHHSR||2λmax(xr)σR2||xr||2λmax(xr)+σD2PR(PS||xrHHSR||2+σR2||xr||2)]]>其中λmax(xr)为矩阵的最大特征值,(3)利用梯度上升法得到步骤2所述无约束问题的最优解xr,并按如下公式计算信源预编码矩阵V、中继发送波束成形xt,中继接收波束成形xr:V=PSHSRHxr||HSRHxr||]]>xt∈argmax||u||=1uHΠHRDHHRDΠu;]]>xr=PRPS||xrHHSR||2+||σR2...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈志勇史清江徐伟强
申请(专利权)人:浙江理工大学
类型:发明
国别省市:浙江;33

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